ISO 21254-1:2011
(Main)Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold — Part 1: Definitions and general principles
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold — Part 1: Definitions and general principles
ISO 21254-1:2011 defines terms used in conjunction with, and the general principles of, test methods for determining the laser-induced damage threshold and for the assurance of optical laser components subjected to laser radiation.
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai du seuil d'endommagement provoqué par laser — Partie 1: Définitions et principes de base
L'ISO 21254-1:2011 définit les termes et les principes de base des méthodes d'essai permettant de déterminer le seuil d'endommagement provoqué par laser et de vérifier les composants optiques du laser soumis à un rayonnement laser.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 21254-1
First edition
2011-07-15
Lasers and laser-related equipment —
Test methods for laser-induced damage
threshold —
Part 1:
Definitions and general principles
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai
du seuil d'endommagement provoqué par laser —
Partie 1: Définitions et principes de base
Reference number
ISO 21254-1:2011(E)
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ISO 2011
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ISO 21254-1:2011(E)
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Published in Switzerland
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ISO 21254-1:2011(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction.v
1 Scope.1
2 Normative references.1
3 Terms and definitions .2
4 Symbols and units of measurement.3
5 Sampling.4
6 Test methods .4
6.1 Principle.4
6.2 Apparatus.5
6.3 Preparation of specimens.10
6.4 Procedure.10
7 Accuracy.11
8 Test report.11
Annex A (informative) Units and scaling of laser-induced damage thresholds.13
Bibliography.14
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ISO 21254-1:2011(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 21254-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee SC 9,
Electro-optical systems.
This first edition of ISO 21254-1:2011, together with ISO 21254-2:2011, cancels and replaces
ISO 11254-1:2000 and ISO 11254-2:2001, which have been technically revised.
ISO 21254 consists of the following parts, under the general title Lasers and laser-related equipment — Test
methods for laser-induced damage threshold:
⎯ Part 1: Definitions and general principles
⎯ Part 2: Threshold determination
⎯ Part 3: Assurance of laser power (energy) handling capabilities
⎯ Part 4: Inspection, detection and measurement [Technical Report]
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ISO 21254-1:2011(E)
Introduction
Optical components can be damaged by laser irradiation of sufficiently high energy or power. At any specified
laser irradiation level and operation mode of the laser source, the probability for laser damage is usually
higher for the surface of a component than for the bulk. Thus, the limiting value of an optical component is
frequently given by the damage threshold of its surface which might be coated to influence the optical
properties. Bulk damage is observed if the electrical field strength in the bulk of the component is enhanced by
self-focusing, interference, scattering or other effects. Also, imperfections, such as inclusions, dislocations,
colour centres or inhomogeneities, can reduce the power-handling capability in the bulk of an optical
component. Damage by single laser pulses is often induced by defects or mechanical stress in the coating,
contamination of the surface, or optical absorption, leading to catastrophic heating of the surface. For multiple-
pulse operation, not only reversible mechanisms induced by thermal heating and distortion but also
irreversible damage mechanisms induced by ageing, microdamage, moisture damage and generation or
migration of defects are observed. The various parts of this International Standard are concerned with the
determination of irreversible damage of the optical surfaces and the bulk of an optical component under the
influence of a laser beam. Depending on the environmental conditions, damage is a function of the material
properties and the laser parameters, in particular wavelength, spot size and irradiation duration.
This part of ISO 21254 is dedicated to the fundamentals and general principles of the measurement of laser-
induced damage thresholds (LIDTs). On the basis of the apparatus and measurement protocols described in
ISO 21254-1, ISO 21254-2 and ISO 21254-3, this part of ISO 21254 outlines procedures for damage testing
under different conditions. The protocols for the determination of the 1-on-1 and S-on-1 damage thresholds
are described in ISO 21254-2. The 1-on-1 test is a damage threshold measurement procedure that uses one
shot of laser radiation on each unexposed site on the specimen surface. In contrast to this, the S-on-1
measurement programme is based on a series of pulses with constant energy density applied to each
unexposed site of the specimen surface. This test reflects the operational conditions of the sample in typical
applications but, compared to the 1-on-1 measurement protocol, the experimental effort necessary for S-on-1
tests is significantly higher. ISO 21254-3 concentrates on the assurance of the power or energy density
handling capability of optical surfaces, leaving samples that pass the test undamaged. ISO/TR 21254-4, which
considers damage detection methods and the inspection of tested surfaces, is a Technical Report which
complements ISO 21254-1.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 21254-1:2011(E)
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-
induced damage threshold —
Part 1:
Definitions and general principles
WARNING — The extrapolation of damage data can lead to an overestimation of the laser-induced
damage threshold. In the case of toxic materials (e.g. ZnSe, GaAs, CdTe, ThF , chalcogenides, Be,
4
Cr, Ni), this can lead to serious health hazards. See Annex A for further comments.
1 Scope
This part of ISO 21254 defines terms used in conjunction with, and the general principles of, test methods for
determining the laser-induced damage threshold and for the assurance of optical laser components subjected
to laser radiation.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 10110-7, Optics and photonics — Preparation of drawings for optical elements and systems — Part 7:
Surface imperfection tolerances
ISO 11145, Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Vocabulary and symbols
ISO 11146-1, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam widths, divergence angles
and beam propagation ratios — Part 1: Stigmatic and simple astigmatic beams
ISO 11146-2, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam widths, divergence angles
and beam propagation ratios — Part 2: General astigmatic beams
ISO 21254-2, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold —
Part 2: Threshold determination
ISO 21254-3, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold —
Part 3: Assurance of laser power (energy) handling capabilities
ISO/TR 21254-4, Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced damage threshold —
Part 4: Inspection, detection and measurement
© ISO 2011 – All rights reserved 1
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ISO 21254-1:2011(E)
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 11145 and the following apply.
3.1
surface damage
any permanent laser-radiation-induced change in the characteristics of the surface of the specimen which can
be observed by an inspection technique and at a sensitivity related to the intended operation of the product
concerned
NOTE Damage may occur on the front surface or the rear surface of the optical component. The damage threshold
value for the front surface may differ from that for the rear surface.
3.2
bulk damage
any permanent laser-radiation-induced change in the characteristics of the bulk of the specimen which can be
observed by an inspection technique and at a sensitivity related to the intended operation of the product
concerned
3.3
1-on-1 test
test programme that uses one shot of laser radiation on each unexposed site on the specimen surface
3.4
linear power density
F
th
linear power density threshold, expressed in watts per centimetre (W/cm), above which damage might occur
NOTE The linear power density is applicable for cw and long-pulse operation. For laser damage considerations, a
1/2
long pulse is assumed when the thermal transit distance (2Dτ ) , where D is the thermal diffusivity, is of the same order
eff
of size as the test spot diameter d .
T,eff
3.5
S-on-1 test
test programme that uses a series of pulses with constant energy density on each unexposed site with a short
and constant time interval between two successive pulses, where the length of the time interval between the
pulses of a series is given by the reciprocal of the pulse repetition rate of the laser source
3.6
number of shots per interrogation site
S
number of pulses in a pulse train used in an S-on-1 test
3.7
threshold
highest quantity of laser radiation incident upon the optical component for which the extrapolated probability of
damage is zero, where the quantity of laser radiation may be expressed as energy density H , power density
th
E , or linear power density F
th th
3.8
target plane
plane tangential to the surface of the specimen at the point of intersection of the test laser beam axis with the
surface of the specimen
3.9
effective area
A
T,eff
ratio of pulse energy to maximum energy density of the laser pulse in the target plane
NOTE For spatial beam profiling perpendicular to the direction of beam propagation and for angles of incidence
differing from 0 rad, the cosine of the angle of incidence is included in the calculation of the effective area.
2 © ISO 2011 – All rights reserved
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ISO 21254-1:2011(E)
3.10
effective beam diameter
d
T,eff
double the square root of the effective area divided by π:
A
T,eff
d = 2 (1)
T,eff
π
3.11
effective pulse duration
τ
eff
ratio of pulse energy to peak pulse power of the pulse
3.12
typical pulse
pulse with temporal and spatial shapes that represent the average properties of the pulses forming a pulse
series used in an S-on-1 test
3.13
minimum number of pulses
N
min
number of incident pulses necessary to cause detectable damage
3.14
characteristic damage curve
representation of the S-on-1 laser-induced damage threshold as a function of the number of pulses per site at
a specified pulse repetition rate
4 Symbols and units of measurement
The symbols and units of measurement used are the following:
Symbol Unit Term
λ nm wavelength
α rad angle of incidence
p degree of polarization
d mm beam diameter in the target plane
T
d mm effective beam diameter in the target plane
T,eff
2
A cm effective area in the target plane
T,eff
τ s pulse duration
H
τ s effective pulse duration
eff
f Hz pulse repetition rate
p
P W average power
av
Q J pulse energy
F W/cm maximum linear power density
max
2
E W/cm maximum power density
max
2
H J/cm maximum energy density
max
P W peak pulse power
pk
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ISO 21254-1:2011(E)
2
E W/cm threshold power density
th
F W/cm threshold linear power density
th
2
H J/cm threshold energy density
th
N minimum number of pulses causing damage
min
S number of shots per interrogation site
N total number of sites for the test
ts
5 Sampling
For testing, either an actual part or a witness specimen may be chosen. If a witness specimen is tested, the
substrate material and surface finish shall be the same as for the actual part. In the case of a coated sample,
the witness specimen shall be coated in the same coating run as the actual part. The coating run number and
date shall be identified for the specimen. If bulk damage is expected, the substrate material of the test
component shall be identical to that of the actual part.
6 Test methods
6.1 Principle
The fundamental arrangement for laser damage testing is depicted in Figure 1. The output of a
well-characterized, stable laser source is adjusted to the desired pulse energy or cw-power by a variable
attenuator and delivered to the specimen located at or near the focus of a focusing system.
The specimen is mounted in a manipulator which is used to position different test sites in the beam and to set
the angle of incidence. The polarization state is set with an appropriate waveplate. The incident laser beam is
sampled with a beam splitter that directs a portion of the laser energy to a beam diagnostic unit. The beam
diagnostic unit permits simultaneous determination of the total pulse energy and the spatial and temporal
profiles.
Key
1 laser system
2 variable attenuator
3 waveplate
4 focusing system
5 beam diagnostic unit
6 online damage detector
7 specimen compartment
Figure 1 — Basic approach to laser damage testing
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ISO 21254-1:2011(E)
The specimen is positioned at a defined location with reference to the laser beam at the specified angle of
incidence. Depending on the requirements of the test, test sites on the specimen are irradiated with single
laser pulses or with trains of pulses of constant energy density at a constant repetition rate. The specimen is
mounted in a holder. Each separate irradiation test is conducted without moving the specimen in the beam. It
is recommended that the distance between the test sites be greater than three times the laser spot diameter
d . For reliable tests, a sufficient number of test sites shall be tested at specific energy densities or power
T
densities. The determination of the damage threshold is based on the entire data set acquired during the
complete test and not on the state of damage at any individual site.
This procedure is applicable to testing with cw-lasers and pulsed laser systems irrespective of pulse length,
repetition rate, and wavelength.
2
Damage thresholds of pulsed lasers are usually expressed in units of energy density (J/cm ). The pulse
duration of the test laser shall be documented in the test report. Damage thresholds of cw-lasers are usually
expressed in terms of units of linear power density (W/cm). The power density is taken as the average power
during the irradiation time. Examples of units used for laser-induced damage thresholds are given in Annex A.
For pulsed lasers, any possible pulse repetition rate is permitted in conjunction with a specified pulse duration.
The pulse duration and the pulse repetition rate of the test laser shall be documented in the test report.
Laser-induced damage threshold values are dependent on the operating parameters of the laser system
employed for testing. For a comparison of threshold data under slightly different operating conditions, scaling
laws which are based on modelling of experimental data may be used. Safety aspects should be considered
for the application of scaling laws to hazardous materials.
6.2 Apparatus
The test facility consists of individual sections with specific functions.
6.2.1 Laser
A laser delivering a beam with a reproducible Gaussian or flat-top spatial profile (in accordance with
ISO 11146-1 and ISO 11146-2) is required. The temporal profile of the pulses is monitored during the
measurement. Pulses or pulse trains containing pulses whose maximum power density E varies by more
max
than 20 % shall be rejected. For S-on-1 tests the pulse repetition rate shall be constant within an error margin
of ±1 %. As a minimum specification of a laser system for damage testing, the pulse-to-pulse variation of the
maximum power density shall be less than ±20 %. Stability criteria for the beam parameters shall be
determined and documented in an error budget.
Beam diagnostic unit packages for lasers operating in the femtosecond regime exhibit a significantly lower
accuracy than typical measurement systems for longer pulse durations. As a minimum specification for fs-
lasers, the measured percentage variation of the maximum power density shall not exceed ±25 %.
6.2.2 Variable attenuator and beam delivery system
The laser output shall be attenuated to the required level with a device that is free of drift in its transmittance
and imaging properties.
The beam delivery system and the attenuator shall not affect the properties of the laser beam in a manner
inconsistent with the tolerances given in 6.2.1. In particular, the polarization state of the laser beam shall not
be altered by the beam delivery system.
6.2.3 Focusing system
The arrangement of the focusing system should be suited to the specific requirements of the laser system and
to the intended beam profile in the target plane. The specific arrangement and the parameters of the focusing
system shall be documented in the test report. The specifications of the active area and the energy density
shall be referred to the location of the test surface. The effective area shall not be altered during the damage
threshold measurement procedure. The self-focusing or filamentation threshold in the test environment shall
not be exceeded.
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ISO 21254-1:2011(E)
For Gaussian beams, it is advisable to select an aperture of the focusing system which amounts to not less
than three times the beam diameter at the entrance of the focusing system. A minimum effective f-number of
50 and a beam diameter in the target plane of not less than 0,8 mm are recommended. The target plane
should be located at or near the focal waist formed by the focusing system. For laser systems whose power
density is restricted for technical reasons (for example long-pulse lasers, cw-lasers and fs-lasers), the beam
diameter may be reduced, depending on the power density necessary, but not to a value less than 0,2 mm. In
such cases, the effective f-number may be reduced to a value below 50. For flat-top laser beams, it is
advisable to position the test surface in the image plane of a focusing system with a focal length >0,2 m that
forms an image of a suitable aperture in the optical path.
Coherence effects in specimens with parallel surfaces can occur and affect the measurement. These effects
should preferably be eliminated by appropriate techniques such as wedging or tilting of the specimen. The use
of a highly convergent beam is also a practical way of removing coherence effects in the specimen.
The Kerr effect can develop in the bulk of a substrate after a short propagation length and induce surface and
bulk damage. If bulk damage is expected, the specimen should be positioned at a location where the variation
in the beam radius along a beam path length corresponding to the total thickness of the sample is less than
3 %.
6.2.4 Specimen holder
The test station shall be equipped with a manipulator which allows precise placement of the test sites on the
specimen with an accuracy appropriate to the specimen size and the distance between the test sites.
The specimen holder shall allow the specimen to be removed from the specimen compartment and analysed
away from the laser apparatus, and then repositioned at exactly the same location.
6.2.5 Damage detection
Suitable inspection techniques shall be used for examination of the surfaces and the bulk of the optical
component before and after the test. The techniques used shall be described in the test report. The
inspections of the surface shall be carried out with an incident-light microscope having Nomarski-type
differential-interference contrast. A microscope objective with a magnification of 10× shall be used in
conjunction with a suitable imaging system or ocular lens. Detailed examples of specimen inspection are
given in ISO/TR 21254-4.
For damage test methods involving more than one pulse per test site, a suitable online damage detection
system shall be installed to evaluate the state of the surface under test. It is recommended that the online
damage detection system have a facility for cutting off subsequent pulses and for stopping the pulse counter
after detecting damage.
For online damage detection, any suitable technique may be used. Techniques suited to this purpose are, for
instance, online microscopic techniques, photoacoustic and photothermal detection, as well as scatter
measurements using a separate laser or radiation from the laser being used to cause the damage. Suitable
detection techniques are outlined in ISO/TR 21254-4.
6.2.6 Beam diagnostic unit
6.2.6.1 Total pulse energy and average power
The diagnostic package shall be equipped with a calibrated detector to measure the pulse energy delivered to
the target plane for each individual pulse. For cw-lasers, the beam power delivered to the target plane shall be
measured. The instrument used for this shall be traceable to a national standard with an absolute uncertainty
of ±5 % or better. For laser systems with high repetition frequencies, the total pulse energy may be
determined by measuring the average power P and the pulse repetition rate f . In this case, the pulse
av p
energy Q is given by:
P
av
Q = (2)
f
p
6 © ISO 2011 – All rights reserved
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ISO 21254-1:2011(E)
6.2.6.2 Temporal profile
The diagnostic package shall include suitable instrumentation for analysing the temporal profile of the laser to
determine the pulse duration. The temporal profile shall be integrated to determine the ratio of total pulse
energy Q to peak pulse power P . This ratio is defined as the effective pulse duration τ , given by:
pk eff
∞
Pt()dt
∫
Q
0
τ == (3)
eff
PP
pk pk
The upper limits for the temporal resolution of the pulse duration measurement shall not exceed 10 % of the
effective pulse duration.
For lasers operating in the fs-regime, the minimum specification given in the second paragraph of 6.2.1 shall
be met.
6.2.6.3 Spatial profile
In all cases, the spatial profile shall be analysed in the target plane or in an equivalent plane. The diagnostic
package shall be equipped with instrumentation to measure the two-dimensional spatial profile H(x,y) (energy
density, pulsed lasers) or E(x,y) (power density, cw-lasers) with a spatial resolution of ±1,5 % of the beam
diameter or better.
All beam dimensions shall be determined in accordance with ISO 11146-1 and ISO 11146-2.
The effective area in the target plane shall be determined as follows:
The measured two-dimensional profile H(x,y) shall be integrated to determine the ratio of the total pulse
energy Q to the maximum energy density H which is given by the maximum value within the beam profile.
max
This is called the effective area A , given by:
T,eff
∞∞
H(,xy)dxdy
∫∫
Q
−∞ −∞
A == (4)
T,eff
HH
max max
For a cw-laser system, the measured two-dimensional profile E(x,y) shall be integrated to determine the ratio
of the total power P and the maximum power density E which is given by the maximum value within the
max
beam profile. This ratio defines the effective area A of the beam, given by:
T,eff
∞∞
E(,xy)dxdy
∫∫
P
−∞ −∞
A == (5)
T,eff
EE
max max
For spatial beam profiling perpendicular to the direction of beam propagation and at angles of incidence
differing from 0 rad, the cosine of the angle of incidence shall be included in the calculation of the effective
area. In this case, the effective area may be approximated by the following equations:
Q
A = (6)
T,eff
H cosα
max
P
A = (7)
T,eff
E cosα
max
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ISO 21254-1:2011(E)
The effective beam diameter in the target plane is calculated from the effective area of the beam measured
perpendicular to the direction of propagation:
Q
d = 2 (8)
T,eff
πH
max
P
d = 2 (9)
T,eff
πE
max
For long-pulse and cw-lasers employed for damage testing at angles of incidence differing from 0 rad, the
cosine of the angle of incidence shall be included in the calculation of the effective beam diameter. The
effective beam diameter thus calculated shall be employed for the calculation of the linear power density, as
follows:
2 Q
d = (10)
T,eff
cosα πH
max
2 P
d = (11)
T,eff
cosα πE
max
For angles of incidence differing from 0 rad, an elliptical beam profile is formed on the target surface. In the
special case of long-pulse and cw-lasers employed for damage testing, the linear power density may be
calculated using the shorter axis or the longer axis of the elliptical beam profile. For a conservative definition
of the threshold linear power density in this arrangement, the longer axis is employed, resulting in a lower
linear power density value compared to that calculated using the short axis.
It is recommended that the beam be analysed at several positions along the beam path near the target plane.
The assessment of these beam properties is mandatory if bulk damage is to be measured with the test facility.
In the special case of a circular flat-top beam profile of diameter d and maximum energy density H , the
100 max
effective area is given by:
2
Hdπ
Q 1
max 100 2
Ad== =π (12)
T,eff 100
HH44
max max
For a focused Gaussian beam of beam diameter d and maximum energy density H , the effective area
86,5 max
is given by:
22
xy+
∞∞ −8
2
2
d
86,5 8r
Hxeddy
−
max
∫∫ ∞
2
d
Q 86,5 1
−∞ −∞ 2
Ar== =2eπ dr=πd (13)
T,eff 86,5
∫
HH 8
max max
0
With the definition of the second moment of the energy density distribution function H(x,y,z) at the location z:
∞π2
2
rH(,rϕϕ)rdrd
∫∫
2
00
σ ()z = (14)
∞π2
Hr(,ϕϕ)rdrd
∫∫
00
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ISO 21254-1:2011(E)
and the definition of the beam diameter d as a function of the second moment:
σ
dz() =2 2σ()z (15)
σ
the effective area can be expressed in the following ways:
1
22
1 2
⎯ flat-top beam: A ==πdd=2;πσ =d (16)
πd
T,eff 100σσ100
4
4
2
1122
⎯ Gaussian beam: Ad== =πσ ; =d (17)
ππdd
σ
T,eff 86,5 86,5 σ
88
6.2.6.4 Typ
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 21254-1
Première édition
2011-07-15
Lasers et équipements associés
aux lasers — Méthodes d'essai du seuil
d'endommagement provoqué par laser —
Partie 1:
Définitions et principes de base
Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser-induced
damage threshold —
Part 1: Definitions and general principles
Numéro de référence
ISO 21254-1:2011(F)
©
ISO 2011
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ISO 21254-1:2011(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction.v
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.1
3 Termes et définitions .2
4 Symboles et unités de mesure.3
5 Échantillonnage.4
6 Méthodes d'essai.4
6.1 Principe.4
6.2 Appareillage .6
6.3 Préparation des échantillons .11
6.4 Mode opératoire.11
7 Exactitude.12
8 Rapport d'essai.12
Annexe A (informative) Unités et échelles du seuil d'endommagement provoqué par laser .14
Bibliographie.15
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ISO 21254-1:2011(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 21254-1 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, sous-comité SC 9,
Systèmes électro-optiques.
Cette première édition de l'ISO 21254-1:2011, conjointement à l'ISO 21254-2:2011, annule et remplace
l'ISO 11254-1:2000 et l'ISO 11254-2:2001, qui ont fait l'objet d'une révision technique.
L'ISO 21254 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Lasers et équipements associés
aux lasers — Méthodes d'essai du seuil d'endommagement provoqué par laser:
⎯ Partie 1: Définitions et principes de base
⎯ Partie 2: Détermination du seuil
⎯ Partie 3: Possibilités de traitement par puissance (énergie) laser
⎯ Partie 4: Inspection, détection et mesurages [Rapport technique]
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ISO 21254-1:2011(F)
Introduction
Les rayonnements laser ayant une énergie ou une puissance suffisamment élevée peuvent endommager les
composants optiques. Quel que soit le niveau d'exposition au rayonnement laser et le mode de
fonctionnement de la source laser, la probabilité d'endommagement par laser est habituellement plus élevée
en surface que dans la masse d'un composant. Le seuil d'endommagement d'un composant optique est donc
souvent assimilé à celui de sa surface qui peut être traitée pour modifier les propriétés optiques. Un
endommagement volumique est observé lorsque l'intensité du champ électrique dans le volume du
composant est augmentée par autofocalisation, interférence, diffusion ou d'autres effets. Des défauts, tels que
des défauts, des dislocations, des centres colorés ou des inhomogénéités, peuvent réduire la tenue en
puissance dans la masse d'un composant optique. L'endommagement provoqué par des impulsions laser
uniques est souvent induit par des défauts ou une contrainte mécanique dans le revêtement, une
contamination de la surface ou une absorption optique entraînant un échauffement catastrophique de la
surface. Pour un fonctionnement à impulsions multiples, en plus des mécanismes réversibles induits par
l'échauffement et la distorsion, des mécanismes d'endommagement irréversibles supplémentaires dus au
vieillissement, aux microdommages, à l'humidité et à l'apparition ou au déplacement de défauts sont observés.
Les diverses parties de la présente Norme internationale concernent la détermination de l'endommagement
irréversible des surfaces optiques et de la masse d'un composant optique soumis à l'influence d'un faisceau
laser. Selon les conditions d'environnement, l'endommagement est une fonction des propriétés du matériau et
des paramètres du laser, en particulier de la longueur d'onde, de la dimension du faisceau et de la durée
d'irradiation.
La présente partie de l'ISO 21254 est dédiée aux principes fondamentaux et généraux relatifs au mesurage
des seuils d'endommagement provoqué par laser. En se fondant sur l'appareillage et les protocoles de
mesure décrits dans l'ISO 21254-1, l'ISO 21254-2 et l'ISO 21254-3, elle décrit des modes opératoires
permettant d'évaluer l'endommagement dans différentes conditions. Les protocoles permettant de déterminer
les seuils d'endommagement 1 sur 1 et S sur 1 sont décrits dans l'ISO 21254-2. L'essai 1 sur 1 est une
méthode de mesure du seuil d'endommagement qui utilise une irradiation unique de chaque site non exposé
de la surface de l'échantillon. En revanche, le programme de mesure S sur 1 est fondé sur l'application d'une
série d'impulsions ayant une densité d'énergie constante sur chaque site non exposé de la surface de
l'échantillon. Cet essai reflète les conditions de fonctionnement de l'échantillon dans des applications typiques,
mais, par rapport au protocole de mesure 1 sur 1, les essais S sur 1 engendrent des coûts expérimentaux
nettement plus élevés. L'ISO 21254-3 est centrée sur la vérification de la capacité des surfaces optiques à
supporter la densité de puissance ou d'énergie, les échantillons ayant satisfait à l'essai étant non
endommagés. L'ISO/TR 21254-4, relatif aux méthodes de détection de l'endommagement et au contrôle des
surfaces soumises à essai, est un complément de l'ISO 21254-1.
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NORME INTERNATIONALE ISO 21254-1:2011(F)
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai
du seuil d'endommagement provoqué par laser —
Partie 1:
Définitions et principes de base
AVERTISSEMENT — L'extrapolation des données d'endommagement peut conduire à des résultats de
calcul erronés et à une surestimation du seuil d'endommagement. Dans le cas de matériaux toxiques
(par exemple ZnSe, GaAs, CdTe, ThF chalcogénures, Be, Cr, Ni), cela peut engendrer de sérieux
4,
risques pour la santé. Voir l'Annexe A pour des commentaires supplémentaires.
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 21254 définit les termes et les principes de base des méthodes d'essai permettant
de déterminer le seuil d'endommagement provoqué par laser et de vérifier les composants optiques du laser
soumis à un rayonnement laser.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 10110-7, Optique et photonique — Indications sur les dessins pour éléments et systèmes optiques —
Partie 7: Tolérances d'imperfection de surface
ISO 11145, Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux lasers — Vocabulaire et symboles
ISO 11146-1, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai des largeurs du faisceau,
angles de divergence et facteurs de limite de diffraction — Partie 1: Faisceaux stigmatiques et astigmatiques
simples
ISO 11146-2, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai des largeurs du faisceau,
angles de divergence et facteurs de limite de diffraction — Partie 2: Faisceaux astigmatiques généraux
ISO 21254-2, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai du seuil d'endommagement
provoqué par laser — Partie 2: Détermination du seuil
ISO 21254-3, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai du seuil d'endommagement
provoqué par laser — Partie 3: Possibilités de traitement par puissance (énergie) laser
ISO/TR 21254-4, Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d'essai du seuil
d'endommagement provoqué par laser — Partie 4: Inspection, détection et mesurages
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3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 11145 ainsi que les
suivants s'appliquent.
3.1
endommagement de surface
toute modification permanente des caractéristiques de la surface d'un échantillon, provoquée par un
rayonnement laser et pouvant être observée par une technique de contrôle avec une sensibilité en rapport
avec l'application prévue du produit
NOTE L'endommagement peut se produire sur la face avant ou la face arrière du composant optique. La valeur du
seuil d'endommagement de la face avant peut être différente de celle de la face arrière.
3.2
endommagement volumique
toute modification permanente des caractéristiques du volume d'un échantillon, provoquée par un
rayonnement laser et pouvant être observée par une technique de contrôle avec une sensibilité en rapport
avec l'application prévue du produit
3.3
essai 1 sur 1
programme d'essai qui utilise une irradiation unique de chaque site non exposé de la surface de l'échantillon
3.4
densité de puissance linéaire
F
th
seuil de densité de puissance linéaire, exprimé en watts par centimètre (W/cm), au-delà duquel un
endommagement peut se produire
NOTE La densité de puissance linéaire s'applique à un fonctionnement continu et à impulsions longues. En ce qui
concerne l'endommagement provoqué par laser, une impulsion longue est supposée lorsque la distance de transfert
1/2
thermique (2Dτ,eff) , où D, la diffusivité thermique, est de l'ordre de la valeur du diamètre du faisceau d'essai, d .
T,eff
3.5
essai S sur 1
programme d'essai qui utilise une série d'impulsions ayant une densité d'énergie constante sur chaque site
non exposé avec un intervalle de temps court et constant entre deux impulsions successives, la longueur de
l'intervalle de temps entre les impulsions d'une série étant donnée par la valeur inverse de la fréquence de
répétition de la source laser
3.6
nombre d'irradiations par site d'examen
S
nombre d'impulsions d'un train d'impulsions utilisé dans un essai S sur 1
3.7
seuil
plus grande quantité de rayonnement laser incident sur le composant optique pour laquelle la probabilité
extrapolée d'endommagement est nulle, où la quantité de rayonnement laser peut être exprimée en densité
d'énergie, H , densité de puissance, E , ou densité de puissance linéaire, F
th th th
3.8
plan cible
plan tangentiel à la surface de l'échantillon, au point d'intersection de l'axe du faisceau laser d'essai avec la
surface de l'échantillon
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3.9
surface effective
A
T,eff
rapport de l'énergie d'impulsion à la densité d'énergie maximale de l'impulsion laser dans le plan cible
NOTE Pour un profil spatial de faisceau perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau et pour les angles
d'incidence différents de 0 rad, le cosinus de l'angle d'incidence est inclus dans le calcul de la surface effective.
3.10
diamètre effectif du faisceau
d
T,eff
deux fois la racine carrée de la surface effective divisée par π
A
T,eff
d = 2 (1)
T,eff
π
3.11
durée effective d'impulsion
τ
eff
rapport de l'énergie d'impulsion à la puissance maximale de l'impulsion
3.12
impulsion typique
impulsion de formes temporelle et spatiale, qui représente les propriétés moyennes des impulsions
constituant une série d'impulsions appliquée lors de l'essai S sur 1
3.13
nombre minimal d'impulsions
N
min
nombre d'impulsions incidentes causant un endommagement détectable
3.14
courbe d'endommagement caractéristique
représentation du seuil d'endommagement provoqué par laser S sur 1 en fonction du nombre d'impulsions par
site, à une fréquence de répétition des impulsions donnée
4 Symboles et unités de mesure
Les symboles et les unités de mesure sont présentés ci-dessous.
Symbole Unité Terme
λ nm longueur d'onde
α rad angle d'incidence
p degré de polarisation
d mm diamètre du faisceau dans le plan cible
T
d mm diamètre effectif du faisceau dans le plan cible
T,eff
2
A cm surface effective dans le plan cible
T,eff
τ s durée d'impulsion
H
τ s durée effective d'impulsion
eff
f Hz fréquence de répétition des impulsions
p
P W puissance moyenne
av
Q J énergie d'impulsion
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F W/cm densité de puissance linéaire maximale
max
2
E W/cm densité de puissance maximale
max
2
H J/cm densité d'énergie maximale
max
P W puissance de crête d'impulsion
pk
2
E W/cm seuil de densité de puissance
th
F W/cm seuil de densité de puissance linéaire
th
2
H J/cm seuil de densité d'énergie
th
N nombre minimal d'impulsions provoquant un endommagement
min
S nombre d'irradiation par site d'examen
N nombre total de sites pour l'essai
ts
5 Échantillonnage
Pour les essais, il est possible de choisir un composant réel ou un échantillon témoin. Dans ce dernier cas, le
matériau du substrat et le fini de surface doivent être les mêmes que ceux du composant réel. Dans le cas
d'un échantillon traité, le traitement optique de l'échantillon témoin doit être effectué par la même opération
que celui du composant réel. Il convient de marquer le numéro de l'opération de traitement et la date
correspondante sur l'échantillon. Si un endommagement volumique est attendu, le matériau du substrat du
composant d'essai doit être identique à celui du composant réel.
6 Méthodes d'essai
6.1 Principe
La configuration de base des essais d'endommagement par laser est illustrée à la Figure 1. L'émission d'une
source laser stable bien caractérisée est réglée sur la valeur souhaitée d'énergie d'impulsion ou de puissance
continue à l'aide d'un atténuateur variable, puis dirigée sur un échantillon placé au niveau ou à proximité du
foyer d'un système de focalisation.
L'échantillon est monté dans un manipulateur servant à positionner les différents sites d'essai dans le
faisceau et à régler l'angle d'incidence. L'état de polarisation est réglé à l'aide d'une lame d'onde appropriée.
Le faisceau laser incident est échantillonné par un séparateur de faisceau qui envoie une partie de l'énergie
laser vers une unité de diagnostic du faisceau. Cette unité de diagnostic du faisceau permet de déterminer
simultanément l'énergie totale d'impulsion et les profils spatial et temporel.
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Légende
1 système laser
2 atténuateur variable
3 lame d'onde
4 système de focalisation
5 unité de diagnostic du faisceau
6 détecteur d'endommagement en ligne
7 compartiment de l'échantillon
Figure 1 — Schéma de principe d'un essai d'endommagement provoqué par laser
L'échantillon est placé dans une position définie par rapport au faisceau laser, à un angle d'incidence spécifié.
Selon les exigences de l'essai, les sites d'essai sur l'échantillon sont exposés à des impulsions laser simples
ou à des trains d'impulsions ayant une densité d'énergie et une fréquence de répétition constantes.
L'échantillon est monté dans un porte-échantillon. Chaque essai d'irradiation individuel est effectué sans
déplacer l'échantillon dans le faisceau. Il est recommandé que la distance entre les sites d'essai soit
supérieure à trois fois le diamètre de la tache laser, d . Pour des essais fiables, un nombre suffisant de sites
T
d'essai doit être soumis à essai à des densités d'énergie ou à des densités de puissance spécifiques. La
détermination du seuil d'endommagement est fondée sur l'ensemble des données acquises durant l'essai
complet et non sur l'état d'endommagement pour un site particulier.
Ce mode opératoire est applicable pour les essais des systèmes laser continus et à impulsions,
indépendamment de la durée d'impulsion, de la fréquence de répétition des impulsions et de la longueur
d'onde.
Les seuils d'endommagement des lasers à impulsions sont généralement exprimés en unités de densité
2
d'énergie (J/cm ). La durée d'impulsion du laser d'essai doit être indiquée dans le rapport d'essai. Les seuils
d'endommagement des lasers continus sont généralement exprimés en unités de densité de puissance
linéaire (W/cm). La densité de puissance se réfère à la puissance moyenne durant le temps d'irradiation. Des
exemples d'unités de seuil d'endommagement provoqué par laser sont donnés dans l'Annexe A.
Pour les lasers à impulsions, toutes les fréquences de répétition des impulsions possibles sont autorisées
avec une durée d'impulsion spécifiée. La durée d'impulsion et la fréquence de répétition des impulsions du
laser d'essai doivent être consignées dans le rapport d'essai.
Les valeurs du seuil d'endommagement provoqué par laser dépendent des paramètres de fonctionnement du
système laser utilisé pour l'essai. Pour une comparaison des données de seuil dans des conditions de
fonctionnement légèrement différentes, des règles d'échelle fondées sur la modélisation des données
expérimentales peuvent être utilisées. Il convient de tenir compte des aspects de sécurité pour l'application
des règles d'échelle aux matières dangereuses.
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6.2 Appareillage
L'installation d'essai est constituée de sections individuelles ayant des fonctions spécifiques.
6.2.1 Laser
Un laser délivrant un faisceau ayant un profil spatial gaussien ou rectangulaire reproductible conformément à
l'ISO 11146-1 et à l'ISO 11146-2 est nécessaire. Le profil temporel des impulsions est enregistré pendant le
mesurage. Les impulsions ou les trains d'impulsions contenant des impulsions ayant une densité de
puissance maximale, E , dépassant une variation de 20 % doivent être éliminés. Pour les essais S sur 1, la
max
fréquence de répétition des impulsions doit être constante, avec une marge d'erreur de ±1 %. Comme
spécification minimale d'un système laser pour essai d'endommagement, la variation coup par coup de la
densité de puissance maximale doit être inférieure à ±20 %. Les critères de stabilité pour les paramètres du
faisceau doivent être déterminés et inscrits dans un bilan d'erreur.
Pour les lasers femtosecondes, les unités de diagnostic du faisceau présentent une exactitude nettement
inférieure à celle des systèmes de mesure types pour des durées d'impulsion plus longues. Comme
spécification minimale pour les lasers femtosecondes, la variation mesurée, en pourcentage, de la densité de
puissance maximale ne doit pas dépasser ±25 %.
6.2.2 Atténuateur variable et système d'acheminement du faisceau
L'émission laser doit être atténuée au niveau requis au moyen d'un dispositif n'altérant ni la transmission ni les
propriétés d'imagerie.
Le système d'acheminement du faisceau et l'atténuateur ne doivent pas affecter les propriétés du faisceau
laser de façon incohérente avec les tolérances données en 6.2.1. En particulier, l'état de polarisation du
faisceau laser ne doit pas être altéré par le système d'acheminement du faisceau.
6.2.3 Système de focalisation
Il convient que le montage du système de focalisation soit adapté aux exigences spécifiques du système laser
et au profil du faisceau souhaité dans le plan cible. Le montage spécifique et les paramètres du système de
focalisation doivent être indiqués dans le rapport d'essai. Les spécifications de la surface active et la densité
d'énergie doivent être rapportées à la position de la surface d'essai. La surface effective ne doit pas être
modifiée pendant le mode opératoire de mesure du seuil d'endommagement. Le seuil d'autofocalisation ou de
filamentation dans l'environnement d'essai ne doit pas être dépassé.
Pour les faisceaux gaussiens, il convient de sélectionner une ouverture du système de focalisation qui ne soit
pas inférieure à trois fois le diamètre du faisceau à l'entrée du système de focalisation. Une ouverture f
effective minimale de 50 et un rayon de faisceau d'au moins 0,8 mm dans le plan cible sont recommandés. Il
convient que le plan cible soit situé au niveau ou à proximité du col du faisceau formé par le système de
focalisation. Pour les systèmes laser dont la densité de puissance est limitée techniquement (par exemple
lasers à impulsions longues, lasers continus ou lasers femtosecondes), le diamètre du faisceau peut être
réduit en fonction de la densité de puissance nécessaire, mais ne doit pas être inférieur à 0,2 mm. Dans ce
cas, l'ouverture f effective peut être réduite à une valeur inférieure à 50. Pour les faisceaux laser
rectangulaires, il est recommandé de positionner la surface d'essai dans le plan image du système de
focalisation avec une distance focale supérieure à 0,2 m qui forme une image d'une ouverture adéquate dans
le trajet optique.
Des effets de cohérence dans les échantillons ayant des surfaces parallèles peuvent apparaître et affecter les
mesurages. Il convient que ces effets soient éliminés par des techniques appropriées, telles que calage ou
inclinaison de l'échantillon. L'application d'un faisceau hautement convergent est aussi une méthode pratique
pour éliminer les effets de cohérence dans l'échantillon.
Un effet Kerr peut apparaître dans la masse d'un substrat après une courte longueur de propagation et induire
un endommagement de surface et dans la masse. Si un endommagement volumique est attendu, il convient
de positionner l'échantillon à un emplacement où la variation du rayon du faisceau sur la longueur de
cheminement du faisceau en fonction de l'épaisseur totale de l'échantillon est inférieure à 3 %.
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6.2.4 Porte-échantillon
La station d'essai doit être équipée d'un manipulateur permettant une localisation exacte des sites d'essai sur
l'échantillon, avec une exactitude suffisante compte tenu des dimensions de l'échantillon et de la distance des
sites d'endommagement.
Le porte-échantillon doit permettre un déplacement de l'échantillon et son analyse hors du dispositif
d'imagerie directe, puis son repositionnement dans une localisation précise.
6.2.5 Détection des dommages
Des techniques de contrôle appropriées doivent être utilisées et décrites pour l'examen des surfaces et la
masse du composant optique avant et après l'essai. Les examens de la surface doivent être effectués avec
un microscope à lumière incidente ayant un contraste interférentiel différentiel du type Nomarski. Un objectif
de microscope ayant un grossissement de 10× doit être utilisé avec un système d'imagerie ou une lentille
oculaire approprié(e). Des exemples détaillés de contrôle d'échantillons sont décrits dans l'ISO/TR 21254-4.
Pour les méthodes d'essai d'endommagement impliquant plus d'une impulsion par site d'essai, un système
approprié de détection des dommages en ligne doit être installé pour évaluer l'état de la surface soumise à
essai. Il est recommandé que le système de détection des dommages en ligne ait la possibilité d'interrompre
les impulsions suivantes et de stopper le compteur d'impulsions après la détection d'un endommagement.
Pour la détection des dommages en ligne, toute technique appropriée peut être utilisée. Les techniques
adaptées à cet effet sont, par exemple, les techniques microscopiques en ligne, la détection photoacoustique
ou photothermique, ainsi que les mesurages de diffusion utilisant un laser séparé ou le rayonnement
provenant du laser générant les dommages. Des techniques de détection appropriées sont décrites dans
l'ISO/TR 21254-4.
6.2.6 Unité de diagnostic du faisceau
6.2.6.1 Énergie d'impulsion totale et puissance moyenne
L'unité de diagnostic doit être équipée d'un détecteur étalonné pour mesurer l'énergie d'impulsion reçue sur le
plan cible pour chaque impulsion individuelle. Pour les lasers continus, la puissance du faisceau reçue sur le
plan cible doit être mesurée. L'instrument correspondant doit pouvoir être relié à un étalon national avec une
incertitude absolue de ±5 % ou mieux. Pour les systèmes laser à haute fréquence de répétition, l'énergie
d'impulsion totale peut être déterminée en mesurant la puissance moyenne, P , et la fréquence de répétition
av
des impulsions, f . Dans ce cas, l'énergie d'impulsion, Q, est donnée par l'Équation (2):
p
P
av
Q = (2)
f
p
6.2.6.2 Profil temporel
L'unité de diagnostic doit être équipée d'un appareillage adapté permettant d'analyser le profil temporel du
laser en vue de déterminer la durée d'impulsion. Le profil temporel doit faire l'objet d'une intégration pour
déterminer le rapport de l'énergie d'impulsion totale, Q, à la puissance de crête d'impulsion, P . Ce rapport
pk
est défini en tant que durée effective d'impulsion, τ , et est donné par l'Équation (3):
eff
∞
Pt()dt
∫
Q
0
τ == (3)
eff
PP
pk pk
Les limites supérieures de la résolution temporelle du mesurage de la durée d'impulsion ne doivent pas
dépasser 10 % de la durée effective d'impulsion.
Pour les lasers femtosecondes, la spécification minimale décrite dans le deuxième alinéa de 6.2.1 doit être
respectée.
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6.2.6.3 Profil spatial
Dans tous les cas, le profil spatial doit être analysé dans le plan cible ou dans un plan équivalent. L'unité de
diagnostic doit être équipée d'une instrumentation permettant de mesurer le profil spatial bidimensionnel,
H(x,y) (densité d'énergie pour les lasers à impulsions) ou E(x,y) (densité de puissance pour les lasers
continus), avec une résolution spatiale de ±1,5 % ou mieux du diamètre du faisceau.
Toutes les dimensions du faisceau doivent être déterminées conformément à l'ISO 11146-1 et l'ISO 11146-2.
La surface effective dans le plan cible doit être déterminée de la manière suivante.
Le profil bidimensionnel mesuré, H(x,y), doit être intégré pour déterminer le rapport de l'énergie d'impulsion
totale, Q, à la
...
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